Projektarbeit von Sajani Dhakhwa Das Insulin und ihre Wirkungen Zentrum der Biochemie Universität zu köln 07.02.2007 1
Inhaltsverzeichnis: 1. Einleitung 2 2. Geschichte des Insulins 3 3. Struktur 4 4. Synthese und Speicherung des Insulins 7 5. Sekretion 8 6. Erfolgsort der Insulinwirkung 10 7. Rezeptoren und Signaltransduktion 10 8. Homöostase des Blutzuckerspiegels 11 9. Insulin und Fettstoffwechsel 15 10. Insulin und Proteinstoffwechsel 16 11. Pathobiochemie - Diabetes mellitus 16 12. Literatur 18 2
1. Einleitung Der Organismus verbraucht für seine Funktionen ständig Energie. Er ist daher auf die Zufuhr von Brennstoffen angewiesen, die er mit der Nahrung aufnimmt. Im energetischen Gleichgewicht muss der Energieverbrauch voll durch die Energiezufuhr kompensiert werden. Dieses Gleichgewicht ist aber unter normalen Bedingungen nur über längere Zeiträume gesichert, denn sowohl der Energieverbrauch als auch die Energieaufnahme unterliegen zeitliche Schwankungen. Körperliche Arbeit kann den Verbrauch momentan auf das Zehnfache des Ruheumsatzes erhöhen. Die Energieaufnahme ist auf relative kurze Zeiten (Mahlzeiten) beschrankt. In den langen Zwischenpausen muss der Organismus seinen Energieverbrauch aus einem Energievorrat bestreiten. den er immer neu auffüllt und nach Maßgabe des Energieverbrauchs angreift. Die anabole Speicherung von Brennstoffen muss also im energetischen Gleichgewicht mit dem katabolen Verbrauch abgestimmt sein. Die beiden Prozesse werden hormonell reguliert. Das einzige Hormon, das für die Speicherung von Brennstoffen verantwortlich ist, ist das Insulin. Definition: Insulin ist ein Peptidhormon, das die Aufnahme von Glukose in Körperzellen fördert. Es wirkt Blutzucker senkend und spielt eine wesentliche Rolle bei der Therapie des Diabetes mellitus. Insulin ist der natürliche Gegenspieler des Hormons Glukagon. Die Name Insulin kommt von Inselzellen. 2. Geschichte des Insulins Die zwei Namen, Banting und Best, verbindet uns mit der Geschichte des Insulins. Die waren nämlich die erste Wissenschaftler, den es in den 1920er Jahren gelang Insulin aus dem Pankreasgewebe zu gewinnen. Es wurde an den Hunden durchgeführt, denen die Bauchspeicheldrüse operativ entfernt worden war. Davor hatten die anderen Wissenschaftler versucht, aus der 3
komplett gemahlene Pankreas Insulin zu gewinnen. Die waren aber nicht erfolgreich, weil andere Verdauungssäfte das Insulin zerstörte. In 1922 gelang ihnen die erste Rettung eines 13 Jahre alten Diabetikers, der seit eineinhalb Jahren an der Krankheit litt, und bereits ins Koma gefallen war. 1923 erhielten Banting und John MacLeod, der Leiter des Instituts, den Nobelpreis für Medizin. Sie teilten den Preis freiwillig mit Best und James Collip, der einen verbesserten Extrakt erfunden hatte. In den folgenden Jahren wurde das Insulin aus der Pankreas von Rindern und Schweinen gewonnen. 1982 gelang es erstmals, Humaninsulin durch gentechnisch veränderte Bakterien herzustellen. Inzwischen übernehmen auch Hefepilze diese Aufgabe. Seit 1996 sind auch künstliche Insuline (Analoginsuline) verfügbar, die schneller wirken als natürliches Insulin. 3. Struktur Insulin ist ein Peptidhormon, das aus zwei Polypeptideketten besteht. A-Kette = 21 Aminosaeuren B-Kette = 30 Aminosaeuren Insgesamt 51 Aminosaeuren Molekulargewicht = 6.000 Da. Diese zwei Ketten sind durch zwei Disulfidbrücken miteinander verbunden. Eine dritte Disulfidbrücke besteht innerhalb A-Kette. Disulfidbrücke entsteht immer zwischen zwei Cystein-Reste der Polypeptide. Die Wasserstoffbrückenbindung zwischen O-Atom von Carbonylgruppe und H-Atom von Amidgruppe tragen zur Stabilisierung der Sekundärstruktur bei. Aus der Kette A entsteht 2 α-helices, wobei nur 40% der B-Kette wickelt sich zur diesen sekundären Struktur. Wie dieses Makromolekül aussieht und was alles das enthält können wir gleich in der folgenden Seite ansehen. 4
Abbildung 1: Die quartäre Struktur des Insulins [3] Abbildung 2: Vergleich zwischen den Insulinstrukturen des Menschen, des Schweins und Rind [3]. 5
Die Aminosäurensequenz des Humaninsulins ist sehr ähnlich zu den von Schwein und Rind. Die Insulinsequenz von Menschen unterscheidet sich von dem Rind in drei Aminosäuren, und von dem Schwein nur in einer einzelnen Aminosäure. An welchen Stellen die Unterschiede liegen kann man in oben stehender Abbildung genau ansehen. Trotz dieser Ähnlichkeiten hat die Anwendung tierisches Insulins einige Allergien verursacht. Durch die Forschungen in den letzten Jahrzehnten konnte man einige Varianten des menschlichen Insulins entdecken. Diese Variationen sind auf Mutationen zurückzuführen. Die oben stehende Abbildung stellt eine Standard Sequenz dar. Einige Beispiele sind: An der Stelle 34 wird ein Histidin durch Asparaginsäure ersetzt. Es wurde in Providence entdeckt. An der Stelle 89 wird ein Arginin durch Histidin ersetzt, es könnte aber auch durch eine Leucin ersetzt werden. Diese Mutationen führen zur Hyperinsulinemia. Theoretisch gesehen wäre es sinnvoll, wenn man bei der Insulingabe (z.b. bei einem Diabetiker) ein bestimmtes Insulin gentechnisch herstellen würde, das zu dem Insulin dieser Person genau passt. personalised Medicine Es ist leider nicht praktisch wegen dem hohen Kosten. 6
4. Synthese und Speicherung des Insulins Insulin wird in β-zellen der Langerhansche Inseln des Pankreas synthetisiert. β-zellen macht 80% der Inselzellen aus, die sich im Zentrum des Insels befinden. (Pathologe Paul Langerhans = Entdecker des Langerhansche Inseln) Abbildung 3: Histologie der Langerhans schen Inseln mit B-Zellen [6]. Die genetische Information für die Insulinsynthese liegt nur an einem Gen in dem kurzen Arm des Chromosoms 11. Das Gen besteht aus rund 300 Nukleotiden und enthält 2 Introns und 3 Exons. Die aus diesem Gen transkribierte mrna wird in dem Ribosom des rauhen Endoplasmatischen Retikulum in Präproinsulin (eine inaktive Vorstufe des Insulins) übersetzt (Translation). Dabei wird an die Signalsequenz erst eine B- Peptidkette angeschlossen, dann eine C-Peptidkette (connecting peptide) und zum Schluss A-Peptidkette. 7
Signalsequenz------B-Peptid-----C-Peptid------A-Peptid Präproinsulin=107 Aminosäuren Nachdem diese Vorstufe in das Endoplasmatische Retikulum transportiert wurde, verlässt die Signalsequenz die Kette, es bilden sich noch drei essenzielle Disulfidbrücken daraus resultiert ein Proinsulin (immer noch inaktiv) Molekül mit 84 Aminosäuren. Abbildung 4: Struktur eines Proinsulins [3] Proinsulin wird nun in das Golgi Apparat transportiert, vom Golgi Apparat wird es in Vesikeln verpackt und als Insulin-Zink-Komplex bis zur Ausschüttung gespeichert. Vor der Ausschüttung wird das C-Peptid durch bestimmte Peptidase abgespalten und die daraus entstehende aktives Insulinmolekül, C- Peptid und Zink werden aus den B-Zellen exozytiert. Vorrat an Insulin: Das Pankreas enthält insgesamt 10 mg Insulin, i.e. 250 Insulineinheiten (IE). Dieser Vorrat reicht für 5 Tagen. Es werden also pro Tag 50 IE ausgeschüttet. 8
4. Sekretion Die B-Zellen des Pankreas sind in der Lage, Glukose aus dem Blut über ihren insulinunabhängigen Glukosetransporter GLUT 2 in die Zelle aufzunehmen. Durch normale Stoffwechselvorgänge entsteht aus Glukose ATP. Die erhöhte ATP-Konzentration führt in der B-Zelle zur Abnahme der Kalium- Permeabilität und dadurch zur Senkung der intrazelluläre Kalium- Konzentration. Die Zelle wird depolarisiert. Über spannungsabhängige Ca 2+ Kanäle strömen Kalzium in die Zelle hinein und stimuliert die Exozytose der Vesikeln mit Insulin, C-Peptidkette und Zn. Insulin gelingt über das Blut zur Leber, d.h. der hohe Glukosespiegel fördert die Insulinsekretion und ermöglicht damit die andere insulinabhängige Zellen Glukose aufzunehmen. Abbildung 5: Die Mechanismus der Insulinsekretion aus den B-Zellen [2] Es gibt auch die andere Faktoren, die diese Sekretion fördern: 1) Hohe Aminosäure, Fettsäure, Ketonkörper Spiegel im Blut. 2) Gastrointestinale Hormone, GIP 3) Acetylcholin als Anreger der Verdauung. Hemmung der insulin Sekretion durch: 1) Somatostatin 2) Noradrenalin 3) Adrenalin Die Hemmung erfolg durch Senkung des camp Spiegels in den B-Zellen. 9
5. Erfolgsort der Insulinwirkung Entsprechend seiner anabolen Wirkung greift das Insulin in alle Prozesse ein, die den Brennstoffvorrat des Organismus vermehren. Dazu gehört: 1. Muskeln und Leber 2. Fettdepot 3. Proteinbestand der Muskulatur Bei einem 70 kg schweren Erwachsenen in normalem Ernährungs- und gutem Trainingszustand beinhalten die Energie von: Glykogenspeicher der Muskeln und Leber = ca. 1.200 Cal Fettdepot = ca. 60.000 Cal Proteinbestand der Muskulatur = ca. 24.000 Cal Obwohl der Glykogenspecher nur eine geringe Menge an Energie zur Verfügung stellt, ist er funktionell sehr effizient, weil er bei plötlichem hohem Energiebedarf sofort verfügbar ist. 6. Rezeptoren und Signaltransduktion Das hydrophile Hormon Insulin vermittelt ihr Signal durch zelluläre Rezeptoren mit folgenden Eigenschaften: Plasmamembranständige Typ I Rezeptoren Ein Tetrameres Protein mit 2 α- und β-untereinheiten Die kurze α-untereinheiten sind extrazellulär lokalisiert und besitzen Ligand-bindende Domäne Die lange β-untereinheiten sind in der Plasmamembran lokalisiert und besitzen Tyrosinkinaseaktivität. Wenn Insulin an α-untereinheit bindet, dann wird die Tyrosin-Rest der β- Untereinheit phosphoryliert. Dadurch wird das Tyrosin der Insulin-rezeptor- Substrat (IRS) auch aktiviert/phosphoryliert. IRS stimuliert Phosphatidylinositol-3-kinase (PI-3K). Die Folge davon : Translokation von Glukosetranspoter-GLUT 4 Glukoseaufnahme Aktivierung der Phosphorylierungs-und Dephosphorylierungskaskaden 10
d.h. PIP2 (Phophatidyl-inositol-4,5-biphosphat) wird zu PIP3 phophoryliert unter ATP-Spaltung. Durch PIP3 wird PKB (Proteinkinase-B) aktiviert. Alle diese Kaskade führen schliesslich zum Glykogensynthese, Lipidsynthese und Proteinsynthese. Anderseits kann IRS über G-Protein (RAS-Protein) MAP-kinase aktivieren und dadurch ein mitogenes Signal auslösen. Es führt zur Wachstum-Genexpression. Abbildung 6: Signaltransduktion durch Insulinrezeptor [4] 11
7. Homöostase des Blutzuckerspiegels 1) Regelkreis 2) Insulinausschüttung während einer Glukoseinjektion 3) Homoiostase zwischen den Mahlzeiten 4) Störung der Homoiostase nach einer Kohlenhydrathaltigen Mahlzeit 5) Störung der Homoiostase während körperlicher Arbeit 1) Regelkreis: Eine ausgeglichene Bilanz zwischen Brennstoffangebot und bedarf muss für jedes einzelne Organ gewährleistet sein. Zellen mit einem fast gleichbleibenden Energieverbrauch benötigen deshalb einen konstanten Brennstoffzufluss durch das Blut. Das sind z.b. der fall bei Zellen des Zentralnervensystems, der Erythrozyten und des Knochenmarks. Diese konstante glukosekonzentration =Homöostase wird hormonell durch das anabol wirksame Insulin sowie katabol wirksame Glukagon, Adrenalin, Glukokortikoide reguliert. Die Wirkung dieser Hormone kann man mit einem Regelkreis vergleichen, in dem durch negative Rückkoppelung die Glukosekonzentration im Blut auf ein konstantes Niveau eingeregelt wird. Zunahme oder Abnahme der Blutglukosekonzentration Reizverarbeitung durch Rezeptor Umstellung des Stoffwechsels Anabol katabol Hormon Ausschüttung Abbildung 7: Regelkreis der Homöostase des Blutzuckerspiegels 12
der Anstieg oder Abfall der BZS wird von bestimmten Rezeptoren gemessen. Die Information über den Anstieg der BZS wird von B-Zellen des Pankreas mit einer Ausschüttung von Insulin beantwortet, wobei die Information über den Abfall der BZS wird von andere endokrine Zellen mit einer Ausschüttung von katabolen Hormonen beantwortet. Diese Hormone regeln dementsprechend die Glukosefreisetzung und Glukosespeicherung. So wird durch die Umstellung des Stoffwechsels von der anabolen nach katabolen Seite und umgekehrt, die BZS auf den Normalwert gesenkt oder gehoben. Im Zustand körperlicher Ruhe hängt die Umstellung von anabolen zum katabolen Stoffwechsel von dem Verhältnis der Insulin- zur Glukagon Konzentration im Blut ab. Bei ausgewogener Ernährung beträgt der Quotient etwa 4,0. Nach einem längeren Hungerzustand kann er bis auf 0,4 absinken. Nach einer reinen Kohlenhydratkost kann er sogar bis auf 60 ansteigen. 2) Insulinausschüttung während einer Glukoseinjektion: Nach intravenöser Injektion der Glukose ändert sich die Insulin- und Glukosekonzentration im Blut nahezu gleichsinnig (siehe folgender Kurvenverlauf). : Abbildung 9: Zeitlicher Verlauf der Insulin- und Glukose im Blut nach intravöse Injektion von Glukose [3] 13
3) Homöostase zwischen den Mahlzeiten: Einige Stunden nach einer normalen Mahlzeit: Glykolyse = Hauptlieferant der Energie. In den Esspausen wird die BZS auf 100mg/dl eingestellt. Bei einem erwachsenen Mensch nimmt das ZNS und Erythrozyten, Zellen des Knochenmarks und Niere dauernd 125 mg Glukose/Min ab, die vollständig zur CO 2 und H 2 O aber auch zur Laktat abgebaut wird. Der Glukoseschwund im Blut wird von der Leber durch Glykogenolyse ausgeglichen. Die dauernd tätigen Muskeln wie Atemmuskeln bauen ihr eigenes Glykogen ab. Die alle anderen Organe benutzen freie Fettsäure als Energiequelle. Es wird kein Fett aus Glukose synthetisiert. Eine längere Esspause: Proteine und Fett = Hauptlieferant der Energie Nach und nach erschöpfen sich die Glykogenreserven der Leber. Dann kommt Glukoneogenese im Spiel. Dafür benutzt die Leber glukogene Aminosäure (vorwiegend Alanin aus Muskulatur und Niere), Laktat aus Erythrozyten, Knochenmark, Muskeln und Glyzerin aus Fettabbau als Quelle. 4) Störung der Homöostase nach einer Kohlenhydrathaltigen Mahlzeit: In diesem Zustand ist die Funktion von Insulin von grosser Bedeutung. Das Insulin hemmt Glykogenolyse und Glukoneogenese, aber auch den Abbau von Proteinen in Muskeln. Wenn das BZS den Schwellenwert von 150mg/100ml überschreitet, dann werden vermehrt Glukose vorwiegend in die Zellen der Fettgewebe und Muskulatur aufgenommen. Das Insulin fördert nun die Liponeogenese, Glykolyse, Glykogensynthese. 5) Störung der Homöostase während körperlicher Arbeit: Bei mittelschwerer Arbeit über zwei Stunden, dient Glykogenabbau in den arbeitenden Muskeln und in der Leber als Glukoselieferant. Es wird durch Adrenalin und Glukagon gefördert. Diese Hormone hemmen weiterhin das Insulinsekretion. Der Insulin/Glukagon Quotient nimmt ab. Wenn Glykogenreserve sich erschöpft, dann durch vermehrte Sekretion von Adrenalin und Glukagon bildet die Leber mehr Glukose über Glukoneogenese. Durch anaerobe Stoffwechsel entstehende Laktat in den arbeitenden Muskeln wird in die Leber transportiert. Dort wird daraus wieder Glukose gebildet(glukoneogenese) und zurück in die Muskeln transportiert. Cori Zyklus 14
Abbildung 9: Cori Zyklus zwischen Leber und Muskel [3] bei andauernder Muskelarbeit, wird zusätzlich Glukokortikoid (Stimulation durch ACTH) freigesetzt. Glukokortikoid fördert Lipolyse und stellt freie Fettsäure für die Muskeln zur Verfügung. Dadurch nimmt der Muskel weniger Glukose auf. d.h. BZS senkt nicht mehr ab. Unmittelbar nach der Arbeit, nimmt die BZS steil ab. Es liegt daran, dass die Muskeln keine Glukose mehr abbauen, aber durch den Langzeiteffekt der Glukokortikoid immer noch die Glukose (Glukoneogenese) bildet. 8. Insulin und Fettstoffwechsel Insulin stimuliert die Fettsäurebiosynthese. Dabei kann man folgende Wirkungen des Insulins unterscheiden: 1) Stimulation der Glukoseaufnahme in Fettgewebe und Skelettmuskel: Der Insulinabhängige Glukosetransporter GLUT-4 befinden sich nicht nur in der Zellmembran der Fett-und Muskelzellen, sondern auch in intrazelluläre Membranvesikeln. Sie stehen zur schnellen Mobilisierung bereit. Die Wirkung von Insulin beruht darauf, dass es solche Vesikeln in die Plasmamembran verlagert. 15
Dadurch kann die Fett-und Muskelzelle vermehrte Glukose aufnehmen und weiter verarbeiten. In den Muskelzellen : Glukose Glykolyse Pyruvat In den Fettzellen : Glukose Glykolyse Pyruvat Glokose Pentosephosphatweg NADPH/H+... 2) Aktivierung der Pyruvatdehydrogenase Komplex: Insulin aktiviert die im Mitochondrien befindende Enzymkomplex-Pyruvatdehydrogenase(PDH). Dieses Enzym katalysiert die Decarboxylierung von Pyruvat zu Acetyl-CoA. Acetyl-CoA und NADPH/H + sind die Bausteine für Fettsäurebiosynthese und damit die Synthese von Triacylglyzeride (TAG). 3) Aktivierung der Lipoprotein-Lipase: Die Lipoproteine- Chylomikronen und VLDL werden m.h. der Lipoproteinlipase in Fettsäuren und Glyzerin abgebaut. Das Insulin fördert die Aktivität dieser Lipase. 8. Insulin und Proteinstoffwechsel Das Insulin stimuliert die Proteinbiosynthese. Nach einer Proteinhaltige Mahlzeit steigt die Konzentration der Aminosäuren im Blut. Das bewirkt als starker Reiz für die Insulinsekretion aus der B-Zelle. Es werden aber auch die A-Zellen des Pankreas stimuliert. D.h. das katabole Hormon Glukagon wird auch sezeniert. Der Insulin/Glukagon Quotient hängt dann von der BZS ab. Wenn es genug Glukose gibt, dann überwiegt die Aktivität des Insulins. 9. Pathobiochemie - Diabetes mellitus Es wird hier über den Zusammenhang zwischen Insulin und Diabetes mellitus nur kurz eingegangen. Für eine ausführliche Information liegt ein separates Projekt zum Thema Diabetes melittus vor. Das BZS von mehr als 200 mg/100 ml ist ein Zeichen für das Vorliegen eines Diabetes mellitus. 16
Die typischen Merkmale dieser Krankheit ist die Polyurie und Polydipsie (i.e. häufiger Harndrang und ständiger Durst in folge der Glukosurie. Ab einem Schwellenwert von 180 mg/dl scheidet die Niere auch Glukose aus. Wegen ihrer hohen Osmolarität nimmt die Glukose auch Wasser mit. Man kann zwischen Diabetes mellitus -Typ I und -Typ II unterscheinden. 1) Diabetes mellitus Typ I: = insulin dependent Diabetes = Insulinmangel Diabetes Ursache: Störung der Insulinsekretion in Folge der Zerstörung oder Ausschaltung der B-Zellen. Es kann wegen Pankreatitis oder wegen Pankreatektomie vorkommen. Nach andere genauere Ursachen werden noch recherchiert. Man spricht aber auch von einer Autoimmunerkrankung. Therapie: Lebenslängliche Abgabe von Insulin. Früher wurden Rinder- und Schweininsulin verwendet. Mittlerweile benutzt man gentechnisch hergestellte Humaninsulin. 2) Diabetes mellitus Typ II: = insulin independent Diabetes = Altersdiabetes Ursache: Zerstörung /Verminderung der Insulinrezeptoren in der Zelle. Die Insulinproduktion läuft ganz normal. Folge - Die Erfolgszelle kann nicht auf alle Insulin reagieren. insulinresistenz besonders bei übergewichtigen Personen. Therapie: Diät Abmagerungskuren Gewichtsabnahme und vermehrte körperliche Bewegungen. (bei Übergewichtigen) Bestimmte orale Antidiabetiker, z.b. Metphormin (die Körperzellen für Insulin empfindlicher machen) 17
Spätfolgen beim chronischen Insulinmangel und lang dauernde Hyperglykämie: Diabetische Katarakt, Retinopathie Nephropathie Neuropathie Angiopathie 10. Literatur 1. Löffler. Petrides, Biochemie und Pathobiochemie, 7. Auflage, Springer Verlang, Berlin Heidelberg New York, ISBN 3-540-42295-1. 2. F. Horn, I. Moc, N. Schneider, C. Grillhösl, S. Berghold, G. Lindenmeier, Biochemie des Menschen, 3. Auflage, Thieme verlag, Stuttgart, ISBN 3-13-130883-4. 3. H. Reichel, K. D. Hepp, U. Harding, Insulin Physiologie und Biochemie in schematischer darstellung, F.K.Schattauer Verlag, Stuttgart New York, ISBN 3-7945-0401-1. 4. http://flexicon.doccheck.com 5. http://www.expasy.org/uniprot/ins_human 6. http://de.wikipedia.org/wiki/langerhans-inseln 18